太陽

1952年12月5日，整個倫敦城籠罩在濃濃的煙霧之中，沒有風，那時的英國主要靠燃燒煤炭取暖，倫敦城空氣中的污染物包括煤灰、焦油、二氧化硫等越積越多，可怕的煙霧一直持續到9日，方才被風吹散，這就是臭名昭著的倫敦煙霧事件，僅僅四天的煙霧，卻帶來了可怕的災難，這四天，倫敦的非自然死亡人數高達4 000人。后來又有約8 000人在那個冬天因為這場煙霧死去，化石燃料，尤其是燃燒煤炭產生的嚴重污染，其威力之大由此可見。

58年過去了，現在的情況是怎樣的呢?如今不僅是老牌的工業國，比如說美國，對化石能源的依賴有增無減，隨著世界經濟的發展以及全球化進程的延伸，這種對于化石燃料的依賴病，似乎已經傳播到了世界各個角落，在我們生活的很多城市，甚至鄉村，不知道從什么時候開始，天空不再湛藍，星星不再明亮，一切都變得灰蒙蒙的，我們不能再走英國的老路，不能再讓夏天的城市變成巨大的桑拿室，我們需要低碳能源。

太陽能

上一篇，我們提到如果實現了可控核聚變，也就是“人造太陽”，就找到了人類能源問題的終極答案，為實現這個夢想，“國際熱核聚變實驗堆計劃”正在進行當中，中國在這個計劃中扮演著重要的角色，已經作出了重要的貢獻。

世界萬物之所以生機勃勃都要歸功于太陽，難怪我們的先人對太陽會頂禮膜拜，奉之為神，今天我們知道太陽的能量源于這顆恒星內部劇烈的核聚變反應，據估計，在太陽內部，每秒鐘有4×10⁸t～6×10⁸ t氫原子聚變成為氦原子，太陽表面的溫度接近6 000℃，其內核溫度高達1.3×107℃，太陽釋放出來的巨大能量以太陽光的形式輻射到宇宙中。

因為能量是守恒的，不會憑空消失，所以，太陽光的能量到達地球之后，一部分被地球以紅外線的形式反射回宇宙中，一部分像“孫悟空”一樣變化成其他形式的能量，但是能量的本質不變，我們談可再生能源，通常都是指太陽能變化后的形式，你或許會問，我們是否可以直接儲存太陽能呢?這也許是個有趣而富有挑戰性的科學課題，同學們不妨開動腦筋想想這個問題，今天，我們簡要地看看水能和風能。

水能

水能是如何來自太陽能的呢?是陽光的熱量將海洋、湖泊、河流中的水變成水蒸氣蒸發到空氣中，水蒸氣變成云，云是漂浮在空中的小水滴和小冰晶的集合體，這些水滴、冰晶逐漸聚合長大，當長到空氣浮力無法托住它們的時候，就結成雨雪落到地面上了，水能就是液態水從高處落下所釋放的重力勢能(物體由于被舉高而具有的能叫重力勢能)，它可以推動渦輪機轉動發電，利用水能一定要有落差，多山的地方通常水能豐富，比如三峽、雅魯藏布江峽谷，而一些多山的國家，如瑞士、新西蘭，水能能滿足這些國家五成以上的能源需求。

同學們可以再考慮一個問題：一定要等到天上的雨水落到了地面上才能發電嗎?可不可以在雨水降落的過程中就為我們發電呢?要知道雨水的位置越高，重力勢能越大，如今的城市高樓林立，設想在高樓頂上接住雨水，儲存起來，然后通過管道傾瀉而下，是否同樣可以發電呢?

人類對水能的利用已經有幾千年的歷史了，水電的優勢很多，一旦大壩建好了，水電就能以很低的成本源源不斷地獲取，不僅不產生污染，而且是可控的，還可以起到防洪、促進航運的作用，比如三峽大壩，根據三峽的防洪庫容，最多可以有2.2×10¹⁰t的水被大壩攔在上游，巨大的人造湖泊所集中的大量重力勢能(如圖1)，最后變成了電能，在用電量需求低的時候，大壩可以減少發電量，轉而將水儲存在水庫之中，這也是儲能的一種手段，尤其可貴的是，水能發電是連續的，不分晝夜，而太陽能電池在夜里、風車在無風的時候都是不工作的。

水電，目前大約占到世界發電量的20％，我國的水能資源蘊藏量居世界第一位，但目前的開發率只有30％，有理由相信我國將繼續開發水電資源來滿足快速增長的巨大能量需求，但在截斷河流之前，我們要考慮很多的因素，比如說生態成本等。

風能

風能也在大自然中蘊藏量很大，同樣是無污染的清潔能源，風是如何形成的呢?

簡單地說，由于地球表面接受太陽光照射的程度不均勻，引起地面上空大氣的壓力不同，壓力高的空氣就會向大氣壓力低的地方流動，形成風，比如赤道附近空氣壓力高于兩極附近，當然還有其他因素，地球表面地質構造不同，地形高低起伏的分布也會形成大氣壓差，比如說海洋和陸地，由于海洋的熱容非常大，陸地和海洋相比，熱得快，冷得也快，從而在陸地和海洋之間產生大氣壓力差，所以海邊風力較大，夏天，當你站在海邊，享受著涼爽的海風時，可以想想這風是如何形成的。

人類對風能的利用同樣源遠流長，明代航海家鄭和的偉大艦隊，就是以風力驅動的巨大帆船組成的，麥哲倫的水手們也是駕著他們的風力帆船完成了環球航行，風力發電是將風能轉化為電能，據估算，全世界可采集的風能是目前人類能源需求的5倍，而2009年風能發電僅占世界發電量的2％，風能發電的發展空間巨大。

風能是間歇能源，不同季節，不同月，不同天，甚至同一天的不同時段，風力發電的變化可能是巨大的，風能的間歇性會給電網帶來沖擊，比如說無風時，風輪機不工作，不會產生電能；狂風大作的時候，風輪機輸出很高的功率，在很短的時間內產生大量的電能，如何儲存這些能量呢?電池儲能設備有非常重要的應用(儲能設備將在后續的文章中介紹)，如果這些電能不能存起來，就只能送到電網上了，但電網不具備儲電的功能，只有輸送的功能，這時，我們需要知道哪些地方可以把這些電能消耗掉，然后通過中遠程輸電線路輸送過去，否則風力發電站(如圖2)附近的電網會無法承受，這對電網管理提出了很高的要求和挑戰，傳統的電網，效率通常很低，無法進行電能復雜的管理和調配，新一代電網——智能電網是一個很好的出路，我國目前正在大力開發這一領域，如果長時間內沒有風，沒有風電產生，需要其他形式的電能來補充，所以風力發電站通常需要和火力或者水力發電站相配套。

水能、風能都是二次太陽能，二次是指我們對它們的利用是間接利用太陽能，那么，如何直接使用太陽能呢?如何將太陽能直接轉化為其他形式的能源呢?這無疑是非常令人興奮的領域，這個領域包括光加熱、光電池、可再生燃料生產、光催化等等，我們將在以后的文章中逐步介紹這些技術。

責任編輯 程 哲